勇敢芯伴你玩转altera fpga第1章基础入门

AlteraFPGA的芯入门指 第1章FPGA基础入 FPGA是什 FPGA与 FPGA、ARM和 Altera与 本章从FPGA的一些基本概念入手，阐释FPGA是什么，将ASIC、ARM、DSP与FPGA同台比对，同时也论及FPGA开发语言及主要厂商；接着介绍FPGA技术的发展、在产品开发中的优势和局限性、应用领域以及开发流程；最后探讨FPGA工程师的成长路径。FPGA基础FPGAFPGA抛开FPGA不提，大家一定都很熟悉ASIC。所谓ASIC，即集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）的简称。电子产品中，它们无所不在，还真是比FPGA普及ASIC是布满铅字的印刷品，那么FPGA就是可以自由发挥的白纸一张。FPGAFPGA与ASIC最大的区别就是功能的可编程性不同，我们再举一个实际的例子说明FPGA与常见ASIC的这个最大区别。门电路NC7SZ08是单路的逻辑与门，如图1.3所示，该除了需要电源（VCC和GND）外，输入A和B经过内部的“逻辑与”后，输出结果若是我们在电路板中设计了一颗NC7SZ08，那么，我们只有的3个IO引脚可用，并且它的功能非常单一，就是2个输入“逻辑与”后输出结果，仅此而白中却潜藏着万千种可能，这万千种可能就把握在你我手中，FPGA逻辑，那么它就等同于我们的NC7SZ08。当然了，这只是非常简单的一个FPGA可编程FPGA。换句话说，真正需要动用FPGA的应用，往往是一般的ASIC所实现不了的功能（实际情况也许并不是实现不的那么此时用FPGA编程实现这样的定制化数字电路就能解燃眉之急了。无任何功能的 编程实现与门的 ，例如它们都可以使用硬件编程语言Verilog或VHDL，它们在时序设计、方面的基本原理、方法或优化技巧基本是相通的。ASIC开发通常分为前端和后端，前端是后端的输入，前端最终的产出是一个能够描述所实现功能的逻辑门电路及其连接的网表，FPGA在综要人工参与）FPGA到ASIC和FPGA在成本、功耗或性能上为何存在差异。与ASIC相比，FPGA、ARM和DSP都具备与生俱来的可编程特性。或许身处开发第一线的底层工程师要说No了，很多ASIC不是也开放了一些可配置选项，实现“可编程”特性吗？“可编程”性的确摆不面。当然，换个角度来看，FPGA、ARM和DSP都或多或少集成了一些ASIC功能，正是这些ASIC功能，加上“可编程”特性，使得它们相互区别开了，并且ARM（AdvancedRISCMachines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、RISCARM工具以及高级编程语言，这也是它倍受青睐的原因之一。当然了，ARM已，因为在ARM内核处理器周边，各种各样精于控制的外设比比皆是，什么GPIO、、AD/DA、UART、SPI、IIC……一列一箩筐。ARM的长处在控制和管理，在很多工业自动化中processor这么说，DSP是为各种数算量身打造的。 FPGA高、定制化程度高、性能要求也特别高的场合，FPGA再合适不过了，甚至有时会是设计者别无选择的选择；当然了，客观的来看，FPGA固然强大，它高高在上的成本、功耗和开发DSP，有无人机交互就无所谓了，它的应用情景最主要的特点一定是高速数据的实时、较复杂的运算处理和传输。那么对此作过专门优化的DSP就能轻松胜任。而FPGA它们所实现的功能无法简单的相互替代，否则我们就不会见到如TI的系列ARM中有DSP、Xilinx的Zynq或Altera的SocFPGA中有ARM的共生现象了。FPGA、ARM和DSP，它将其映射到最终的FPGA器件上。VHDLVerilog2.01995，IEEEVerilogIEEE1364-1995Verilog-952001IEEE1364-2001Verilog-。年，Verilog布了IEEE1364-2005标准，即Verilog-2005。1.8VerilogVHDLVeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage写,也是诞生于上世纪80年代初期，但它与Verilog的民间背景不同，VHDL则是军方研发，且早在1987年就被IEEE和国防部确认为标准硬件描述语言，并公布了VHDL的标准版本IEEE-1076-1987（简称87版。1993年,IEEE对VHDL进行了修订,从更高的抽象版本(简称93版)。1.9VHDL观念，所以学习起Verilog语言来会更容易一些。换句话说，Verilog相对VHDL有着快速有不少公司或组织会毅然决然的选择VHDL。看设计者怎么使用。而对于一个合格的FPGA工程师而言，无论是Verilog还是VHDL，一定天鹅”的故事要少得多，因此两家历史最为久远的FPGA供应商Altera和Xilinx凭着一直目前FPGA器件的主流厂商Altera公司（已被In公司收购）和Xilinx公司，它们的可编程逻辑器件在全球市场上占到了将近90%。从明面上的“竞争对手”到今天暗地里还彼此促进，互相激励。的确，翻看FPGA的发展史，往往充斥着这两家公司不断上演的“你不过这好在新千年过后，各方重新定位，Altera和Xilinx便牢牢把持住象征地位的中高端市场；Microsemi高度聚焦于FPGA的安全应用领域，比如国防和航空；而Lattice国内FPGA厂商京微雅格（目前处于之中它们的FPGA器件内部结构虽然略有差FPGA发展上世纪60年代中期，TI公司设计制造了各式各样的实现基本逻辑门电路功能的，相信今天很多的工程师仍然很熟悉这些主要面对应用的54XX和商业应用的74XX。据说早期的工程师甚至能够单凭着这些架构出一颗简单CPU的功能。还真别小瞧这些ARM7、ARM9、DSP是万丈高楼，那么称这些基本的逻辑门电路为一砖一瓦倒是一点也不为1971年In公司的第4位微处理器In4004到上世80年代初被奉为经典的8051ARMCortexIO太少的尴CPU5474ASICCPLDFPGA。的确，在系统的可扩展性和灵活性方面，FPGA/CPLDFPGA器件可 简单的逻辑功能，很容易便可替代当时流行的54或74系列逻辑门电路。受限于PROM的结构，第一款可编程逻辑器件的输入接口相对较少。因此，可编程逻或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现1.13如今已经绝迹的成章了。Altera1984CMOSEPROMCPLD。CPLD可实PALGAL有了大幅度的提升，已经可以胜任设计中复杂性较高、速度

1.14也是火过一时的ASIC的设计耗时又费钱，而且功能固定，在流片后很难随意更改。鉴于此，Xilinx创始人之一RossFreeman发明了现场可编程门阵列（FPGA，FreemanFPGA是阶段对它进行修改和升级。FreemanFPGA将成为各种三十多年后的今天，伴随着制造工艺的不断进步，FPGA在深亚微米甚至深亚纳米时代用的内嵌功能单元，很多器件还顺应市场需求内嵌的硬件模块。近些年来，可编程器件

1.15野心十足的电子行业在继续摩尔定律的征程中，无论是可编程器件继续大放光彩，还是ASIC1.16FPGAFPGA的优级或变更，那么使用FPGA技术来实现就会有很大的优势。求？是否应该选择具有易于更换的同等级、不同规模的FPGA器件？择性能更好或速度等级更快的FPGA器件？实现成本——是否有基于其它ASIC、ARM或DSP的方案，能够以更低的成本实现设IP核可供使用？

1.17集

1.18以下这些方面看，选择FPGA技术来实现产品的开发设计有时并不是明智的决定。FPGA应用FPGA器件中顺便做些逻辑粘合的工作倒是非常普遍。1.20如图1.21所示，这是一个真实的案例，一颗TI的DSP处理器，需要将它的EMI（ExternaMemoryInterface）连接3颗双口RAM，既有的EMIF肯定要求，因此中间使用了一颗FPGA作为“桥接”，有效的将地址和数据总线做扩展。控制总线:控制总线控制总线控制总线控制总线双口双口双口1.22温的机器视觉应用也几乎是无一例外的都使用了FPGA器件。1.24种加密算法等，诸如此类小批量、定制化、更新换代频繁的应用使用FPGA比ASIC种SDI速率（SDSDI、HDSDI以及3G-SDI）。改进或修正画量，以及压缩图像，以供电缆或线路传输。的压缩标准H.265发展产生的时间压力，多种需求的重合，FPGA无疑又是最佳的解决方案。1.28但也受限于极高的成本和功耗代价；相比之下，单位功耗性能是GPU3~4倍的FPGA1.29需要的处理器逻辑，因此也需要的并行处理。如今的中高端FPGA器件都标配DSP片上系统，如Altera公司的SocFPGA和Xilinx公司的Zynq，这类FPGA器件，既有成ARM硬核处理器，又有丰富的FPGA资源，大有单一统天下的架势。当然了，若从具体的行业细分来看，FPGA在电信、无线通信、有线通信、消费电子产品、和图像处理、车载、航空航天和国防、ASIC原型开发、测试测量、、数据安全、医疗电子、高性能计算以及各种定制设计中都有涉猎。总而言之，FPGA所诞生并发展图1.31FPGA应 FPGA开发1.32FPGAFPGA项目的提上议程开始，设计者需要进行FPGA功能的需求分析，然后进行模块的划分，FPGA分析实现结果基于Xilinx的Vivado开发工具，我们对以上开发流程所涉及的各个步骤做简要的说明。设程包含了各种不同类型的源文件和设计模块，比如HDL文件、EDIF或NGC网表文件、原理图、IP设计综合阶段，FPGAHDL定结构的设计网表。Vivado设计工具内置Synthesis综合功能，也支持第综合工具，Synplify,SynplifyProPrecision等软件工具的使用。约束输入阶段，设计者可以指定时序、布局布线或者其它的设计要求。Vivado持的编辑器实现时序约束、I/O引脚约束和布局布线约束。比如Vivado内置的仿真器或者第工具仿真器。性，可以控制设计实现以及结果优化。为了更快的达到设计目标，可以使用SmartXplorer的结果。对于时序结果和功耗结果，Vivado内置工具中都可以进行查看。此外，在系统调试时也可以使用逻辑分析仪ILA。这个流程。如图1.33所示，从大的方面来看，FPGA开发流程不过是三个阶段，第一个阶段的阶段划分中，我们也看到FPGA设计的各个环节是紧密衔接、相互影响的。FPGA开发要多得多，甚至也超过了其他任何可编程（如MCU、ARM或DSP。今天的FPGA工程师很少有技术像FPGA开发一样，需要丰富的经验基础才能充分利用其技术优势。FPGA设复杂的FPGA开发过程中，极可能涉及到多种交叉的设计技能。硬硬件软件FPGA设计系软件硬件/DSP设计硬件/DSP设计软件（HDL）设计软件/DSP设计HDLFPGAFPGA悉FPGA开发过程中的各个要素。FPGA进阶能够在开发板上并跑例程，这可以说是完成了入门阶段。这一阶段的目标是“熟练”。1.35